JP2004158439A - 植込み型集電体idマトリクス識別子 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的エネルギー密度は高いが比較的低い出力率を有する、2つの集電体の間に挟まれた第二カソード活物質と、比較的エネルギー密度は低いが比較的高い出力率を有する、集電体の両側に接触した第一カソード活物質、とを有するカソードを含む電池においては、第一カソード活物質と第二カソード活物質の重量比が厳格な許容範囲内にあること、および各電池を製造施設内で造るためには、他のデータと同様に、この情報を追跡し記録できること。
【解決手段】自動植え込み式除細動器、心臓ペースメーカ等の体内埋込み型医療装置に電力を供給する電池の集電体30のカソード電極32を示す。集電体30は向かい合った羽根状部材32および34を有し、中間タブ36によって連結されている。集電体30は第一電極活物質、第ニ電極活物質を収納し、サンドイッチ電極として組み立てられる。集電体および電池ケーシングに、電池製造中に読み取られ記録される識別I.D.マトリクス62を付す。
【選択図】図2
【解決手段】自動植え込み式除細動器、心臓ペースメーカ等の体内埋込み型医療装置に電力を供給する電池の集電体30のカソード電極32を示す。集電体30は向かい合った羽根状部材32および34を有し、中間タブ36によって連結されている。集電体30は第一電極活物質、第ニ電極活物質を収納し、サンドイッチ電極として組み立てられる。集電体および電池ケーシングに、電池製造中に読み取られ記録される識別I.D.マトリクス62を付す。
【選択図】図2
Description
本発明は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することに関する。特に、本発明は、集電体の両側に接触する電極活物質のグラム量を正確に調節することに関する。
集電体の正確な重量は厳格な許容範囲内に調節される。重量基準からはずれた集電体は、電極活物質と接触する前か後に、許容範囲外であるとして除去される。
電池内の電極活物質の重量の厳格な調節は、集電体の両側に異なる活物質が接触する場合に、特に重要である。このような構成としては、例えば、酸化バナジウム銀(SVO)/集電体/フッ化炭素(CFX)があり、そして電池を適切に機能させるためには、両活物質の重量比を綿密に調節することが重要である。
本発明は、比較的エネルギー密度は高いが比較的低い出力率を有する、2つの集電体の間に挟まれた第二カソード活物質と、比較的エネルギー密度は低いが比較的高い出力率を有する、集電体の両側に接触した第一カソード活物質、とを有するカソードを含む電池に関する。電池を適切に機能させるためには、第一カソード活物質と第二カソード活物質の重量比が、厳格な許容範囲内にあることが重要である。さらに、各電池を製造施設内で造るためには、他のデータと同様に、この情報も追跡し記録できることが重要である。各電極および各電池を読み取り記録する識別I.D.マトリクスが集電体に付されることによって、これが可能になる。
本発明における電池は、自動植え込み式除細動器、心臓ペースメーカー、神経刺激装置、薬ポンプ、骨成長刺激装置、及び補聴器などのような体内埋め込み型医療装置に電力を供給するのに有用である。
本発明のこれらの目的及び他の目的は、以下の記述と添付の図面を参照することにより、当業者に対し次第に明らかになってゆくであろう。
図1は、代表的な電気化学電池10の斜視図である。電池10は、電極アセンブリを内蔵するケーシング12を有し、電極アセンブリは、複数のアノードプレート14からなるアノード電極と複数のカソードプレート16からなるカソード電極、および相互の直接接触を防止する中間セパレータ18からなる。前記アノード/カソード電極アセンブリは、蓋20によって密閉された深絞り(deep-drawn)ケーシング12の中に内蔵されたプリズム構造を取る。
蓋20は、絶縁ガラス24によって蓋から絶縁された端子リード22を支持する孔を有する。この構造は一般にガラス金属封じ(glass-to-metal seal)と呼ばれる。端子リード22は電極の一つ、典型的にはカソード電極用の集電体(図1に図示せず)に接続され、正極端子としての機能を果たす。アノード電極用の集電体は、負極端子としての機能を果たすケーシング12または蓋20、あるいは両方に接続されている。このタイプの電池構造はケース-ネガティブ構造と呼ばれる。ケース-ポジティブ構造は、ケースに接続したカソードと端子リード22に接続した負極を有する。活性化電解液がもう一方の蓋の孔26の中へ満たされ、閉鎖部材28がそこに密閉されて電池10が完成する。
図1に示された典型的な電池10はプリズム設計のものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。より広義では、本システムは、ジェリーロールまたはらせん状にねじれた電極アセンブリ、ボタン型電池、コイン電池、その他同種類のものを含む多くの異なるタイプの電池設計に用いることができる。本システムは、電気化学、電解液、あるいはハイブリッド設計のいずれのコンデンサにも有用である。これは、本明細書中で使用される「電気エネルギー貯蔵装置」という言葉によって表される。
図2は、図4に示される電極32に用いられる構造の集電体30を示す。図に示された電極32はカソードであるが、本発明はアノード電極にも同様に適用可能である。カソードは第一集電体30Aおよび第二集電体30Bを有する。集電体30Aおよび30Bは基本的に同一であり、その構造は図2および図3に図示された集電体30によって詳細に説明されるであろう。
集電体30は、向かい合った羽根状部材32および34を有し、これらは中間タブ部分36によって連結されている。タブ36は、間隙を介して突起部38と40を有している。後者の突起部40は孔42を有し、他方、孔44は前者の突起部から少し内側に間隔をあけて位置する(図3)。突起部38,40および孔42,44は、以下に詳細に説明するように、電極を構築するにあたって、フィクスチャーの中に集電体を正確に且つ反復可能に置くためのインデックス構造としての機能を果たす。集電体の羽根状部材32,34各々は、オープングリッド構造46,48を有し、それらはそれぞれスクリーンなどの形態をとっている。オープングリッド集電体を提供するための好ましい方法は、米国特許第6,110,622号および第6,461,771号(両者ともFryszらによる)に記載されている。これらの特許は本発明の譲受人に譲渡され参照によりここに包含される。
図4に示すように、電極、例えばカソード電極は、適切に成形したフィクスチャー(図示せず)の中に第一電極活物質(例えばSVO)の一組のブランク(工程前の素材)50および52を置き、続いてそれぞれの羽根を有する第一集電体30Aを前記ブランクに接するように置くことによって構築される。第二電極活物質(例えばCFX)のブランク54および56は、集電体30Aの羽根の反対側に接するように置かれる。
次に、第二集電体30Bが、第二電極活物質ブランク54,56に(第一集電体30Aとは反対側に)接するように置かれる。最後に、第三電極活物質(例えば、SVO)の2つのブランク58および60が、集電体30Bの羽根の上に(第二電極活物質とは反対側に)置かれる。
その次に、このアセンブリに十分な圧力を与えて、活物質をそれぞれの集電体30A,30Bの両側に緊密に接触させる。直接集電体の面に密着接合させることが、層間剥離を防止するために重要である。また一方、活物質/集電体の接触面が、反対側の活物質によって「汚染」されないように、SVO物質およびCFX物質がそのそれぞれの集電体の面によって分離されていることも重要である。つまり、一方の活物質がスクリーングリッドを経て集電体の反対側に移動し、他方の活物質の集電体表面への直接接合に干渉するのを防止することが重要である。
このようにして組み立てた電極アセンブリを「サンドイッチ電極」と称する。好ましい形態は、中間の第二活物質より、出力率が高くエネルギー密度が低い第一活物質と第三活物質を有するカソード電極である。第二活物質は、第一および第三活物質より、エネルギー密度は高いが出力率は低い。第一および第三活物質には酸化バナジウム銀が好適であり、中間の第二活物質にはCFXが好適である。
より広義では、サンドイッチカソード設計における第一および第三活物質が、第二活物質に比べて、比較的低いエネルギー密度を持つが比較的高い出力率を持つ物質であることが本発明の範囲で意図される。酸化バナジウム銀に加えて、酸化バナジウム銅銀、V2O5、MnO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、TiS2、Cu2S、FeS、FeS2、酸化銅、酸化バナジウム銅およびそれらの混合物が第一活物質および第三活物質として有用である。そして、第二活物質としては、フッ化炭素に加えて、Ag2O、Ag2O2、CuF2、Ag2CrO4、MnO2が有用である。第一及び第三活物質が酸化バナジウム銅銀である場合には、SVOさえ第二活物質として有用である。「サンドイッチ」電極設計についてのより詳細な記述は、Ganによる米国特許第6,551,747号に参照される。この特許は本発明の譲受人に譲渡され参照によりここに包含される。
サンドイッチ電極の製造工程を管理するために、集電体30A,30Bそれぞれに、独自の識別コードあるいはIDマトリクス62が付される。IDマトリクス62は、好ましくは、レーザーなどによって接続タブ36の上にエッチングされる。このようにすれば、通常のバーコードより小さいフットプリントでマトリクスを付すことができ、それ故、過度の熱による集電体の反りを最小限に抑えることができる。エッチングは長持ちし、インクジェットマーキングシステムで起こりうるような電池の品質劣化を起こさないという点でも好ましい。
図5および図6は、サンドイッチ電極の製品およびより一般的には、関連する電気化学電池10を構成する工程を、精密かつ的確にコントロールするための工業生産ラインを図示するフローチャートである。工程は64におけるCFX原末の投入、66における原料SVOシートのクーポン投入、および68における集電体の投入で始まる。まず、CFXフローパスが進行し、原末がふるい70に移されて、規定の大きさより大きい粒子が分離あるいは篩い分けられる。篩い分けられた粒子は、粉砕機(図示せず)に移され、ふるいに再導入される前に望ましい大きさに細砕される。ふるいを通過したCFX粉末は、カソード電極製品の正確な形を持つフィクスチャーに充填される。フィクスチャー内の規定重量のCFX粉末は、72において平らにならされ、その後74において十分な力でプレスされブランクを形成する。ブランク74は風袋引き機能付重量計76で量られ、許容範囲内であれば、ホールディングビン(holding bin)へ移される。許容範囲外であれば、そのブランクは78において規格外であるとして除かれる。許容範囲内であるためには、CFXブランクは、少なくとも規定重量の約±0.1グラム以内、より好ましくは規定重量の約±0.005グラム以内でなければならない。
SVOブランクの形成は、いくぶん異なった方法で行われる。酸化バナジウム銀ブランクの形成は、米国特許第5,435,874号および第5,571,604号(両方ともTakeuchi等)に記述される工程に従って実行される。これらの特許は本発明の譲受人に譲渡され、参照によりここに包含される。Takeuchiらの特許に記載されているように、独立の(freestanding)活物質シートあるいはクーポンは、規定の粒状サイズのSVO、導電性添加剤としてのカーボンブラックあるいはグラファイト、およびPTFE粉末のようなフッ素樹脂粉末の結着剤から作られる。これらの原料は、水、あるいはミネラルスプリットのような不活性有機溶剤のうちどちらかの溶媒中に混合される。その結果生じたペーストは、一連の圧縮ロールミルを通り抜けてテープ形状の薄いシートに形成されるか、あるいはブリケットに変わった後、光沢機にかけられ連続的なテープのような独立のシートになる。いずれにしても、前記テープは、残余の溶媒あるいは水を除去するための乾燥工程におかれ、その後テープからクーポン66をパンチする機械に移される。クーポン66はブランキングステーションに移動し、そこでプラテンあるいはフィクスチャーを有する水圧プレスによってプレスされ、カソード電極製品の正確な形のブランク80になる。各ブランク80は風袋引き機能付重量計82で量られ、許容範囲内であれば、ホールディングビンへ移される。許容範囲外であれば、そのブランクは84において規格外であるとして除かれる。許容範囲内であるためには、SVOブランクは少なくとも、規定重量の約±0.1グラム以内、より好ましくは、規定重量の約±0.005グラム以内でなければならない。
集電体投入68は、多数の集電体30(図2)を保持する瓶から開始する。米国特許第6,110,622号および第6,461,771(両方ともFrysz等による)に記載されているように、化学成形工程は、集電体を製造するのに好適である。これらの特許は本発明の譲受人に譲渡され、参照によりここに包含される。前記集電体30は、エッチングステーション86に移動し、そこでIDマトリクス62が接続タブ36に施される。エッチングされた集電体はリーダー88に移動し、リーダーが電子的にIDマトリクス表示62を確認する。IDマトリクスの確認後、集電体は風袋引き機能付重量計90で量られ、許容範囲内であれば、エッチングおよび重量測定された集電体スクリーン92用のホールディングビンに移動する。許容範囲外であれば、その集電体は94において規格外であるとして除かれる。許容範囲内であるためには、集電体は少なくとも、規定重量の約±0.1グラム以内、より好ましくは、規定重量の約±0.006グラム以内でなければならない。
このように製造されたCFXブランク74、SVOブランク80、および集電体92は、次にデカルトロボット96が装備された直線上の送り台に送り込まれる。この機械は、前記3つの投入コンポーネントを、複数の異なる電極構成のうちいずれか一つに組み立てるようプログラムできる。
一つは、双翼の集電体30A,30B(各々、SVO/集電体/CFX/集電体/SVO構成を持つ)を有する、図4に示すサンドイッチカソードである。もう一つの好ましい実施形態は、同じ構成を有するが、集電体が双翼構造を持たないものである。別の好ましい実施形態は、SVO/集電体/SVO/CFXSVO/集電体/SVO構成のものである。さらに別の好ましい実施形態は、SVO側がリチウムアノードに面している、SVO/集電体/CFX構成のものである。この後者のカソード構成は、「中間率設計(medium-rate design)」と称される電池を供給する。他のものは、「高率設計(high-rate design)」の電池と称されている。
特定タイプの電池を構築するか否かに関係なく、デカルトロボット96を経た完成カソードは、風袋引き機能付重量計98に移動し、最終重量が記録される。この重量は、CFXブランク、SVOブランクおよび集電体それぞれの累積重量の±5%以内でなければならない、そうでなければ、そのカソードは規格外であるとして100において除去される。最終重量測定後、カソード電極の重量はチェックされ、102において集電体上にエッチングされたIDマトリクス62がスキャンされる。各種のコンポーネントブランクおよび集電体104の最終重量の測定値に関連付けられたIDマトリクスは、106において、セントラル・プロセッサ・ユニットのメモリに記録されるか、ディスク、プリントアウトなどのような他の有形媒体に記録される。
図6は、図5に関連して記載されたカソード構成を一以上有するように構築された電池の略図である。図示しないが、当該電池は、アノードを、連続的な長いエレメントとして、またはセパレーター内に収められ、曲がりくねった形に折り曲げられたアルカリ金属(好ましくはリチウムあるいはリチウム合金)の構造として有する。図5のコンポーネントフローチャートに従って生産された関連IDマトリクス108を持つ多数のカソード電極アセンブリが、その後アノードの折り曲げ部の間に入る。図4に示されるカソードの場合は、アノードの一部が、対向する主面あるいは各カソードプレートに沿って配置されるように、間隙を介したプレートが接続タブ36に関連して折り曲げられる。図6に図解された電池は、2つの双翼カソード電極構造および、双翼構造を持たない第5のカソードプレートを有する。
曲がりくねったアノードの折り曲げ部の間に挟まれたカソードプレートは、レーザーエッチングによるIDマトリクスがそれ自身に付された、適当な大きさのケーシング12の内側に挿入される。ケースのIDマトリクスは110においてスキャンされ、このデータもまた後の検索のために記録される。このようにして、特定のケーシング内に格納された各種の活ブランクおよび集電体の正確な重量とともに特定の電極構成を詳述する永続的な記録が各電池について残される。電池は、例えばプロピレンカーボネートと1,2−ジメトキシエタンを体積比で50:50で混合した物質に、LiPF6またはLIAsF6を溶解する等した電解液で活性化される。ケース-ネガティブ電池設計の場合は、曲がりくねったアノードの集電体はケースあるい蓋、またはその両者に接続され、そして集電体の接続部36は端子リード22に接続される。ケース-ポジティブ設計を望む場合には、反対にすればよい。
IDマトリクス62の典型的な形式には、電池の型番および独自のシリアルナンバーが含まれる。一例として、20桁の数列20770000000000000001がある。最初の4桁の数字は、その電池の型が2077であることを示し、続く16桁はその電池独自のシリアルナンバーを示す。
サンドイッチ電極設計においては、高エネルギー活物質(例えばCFX)の重量比に対する高率活物質(例えばSVO)の重量比が厳密な許容範囲内にあることが重要である。リチウム電気化学電池において、SVO/集電体/CFX/集電体/SVO構成を持つサンドイッチカソードは、定量的に変換されるか、あるいはSVO物質の高出力エネルギーとして利用される高容積のCFX活物質を備える。これに関して、高エネルギーパルシングの間は、SVO物質が全ての放電エネルギーを提供すると考えられている。CFX電極物質の放電電圧を超えると、SVO電極物質のみが放電され、バックグラウンド負荷放電のためのみならずパルシングのためのエネルギーも全て提供する。この放電状況下において、CFX活物質はSVO物質の放電電圧に関連して分極される。その後、リチウム電他がCFX物質の作動電圧で放電されているときには、SVOおよびCFX物質の両者がバックグラウンド負荷放電のためのエネルギーを供給する。その一方、SVO物質のみが、高率パルス放電のためのエネルギーを供給する。SVO活物質がパルス放電された後、SVO物質の電位は、容量の損失が原因で落ちる傾向にある。SVOのバックグラウンド電圧がCFX物質の作動電圧を下回ると、SVO物質はCFX物質によって充電され、サンドイッチカソード物質の放電電圧は等価になる。それゆえ、SVO物質は再充電可能な電極としての役割を果たし、これに対してCFX物質は充電器あるいはエネルギー貯蔵所としての役割を果たすと考えられている。この結果、両活物質は同時に寿命に達する。
このように、サンドイッチカソード(例えば、SVO/集電体/CFX/集電体/SVO構成)を有するリチウム電池を適切に機能させるためには、それぞれの活物質の重量が、厳格な許容範囲内に正しく調節されることが重要である。これは、電池の集電体およびケーシングの上にエッチングされたIDマトリクスの利用によって達成できる。すでに述べたように、SVO/集電体/SVO/CFX/SVO/集電体/SVOおよびSVO/集電体/CFX(SVOがリチウムアノードに面する)構成を有する他のサンドイッチカソード構成もある。これらの代替性ある実施形態においても、活物質の重量比を厳密に調節することが重要である。IDマトリクスは、同様に、当該コンポーネントを追跡するためにアノード集電体上にエッチングされてもよい。
ここに記載された本発明の概念についての種々の改良が、添付された請求の範囲により規定された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者には明白であることが理解される。
Claims (23)
- a)独自の識別マークが付された露出タブを有する集電体の支持部に接触した電極活物質を有する第一電極と、
b)対極である第二電極と、
c)第一電極と第二電極の間に配置され、それらが互いに電気的な関連にあるときにそれらの間で直接接触が起こるのを妨げる、セパレータと、
d)第一電極および第二電極を格納するケーシングと、
e)第一電極の集電体に接続された第一端子、および第二電極に接続された反対極性の第二端子
とを有する電気エネルギー貯蔵装置。 - 前記集電体タブ上の独自の識別マークがIDマトリクスである、請求項1記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記独自の識別マークが、エッチングにより集電体タブ上に付されたものであることを特徴とする、請求項1記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記独自の識別マークが、少なくとも電池のシリアルナンバーを表す、請求項1記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記独自の識別マークが、前記集電体の重量と関連付けられたものである、請求項1記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記独自の識別マークが、前記集電体の支持部に接触した電極活物質のグラム量と関連付けられたものである、請求項1記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記集電体の支持部が、相反する第一主面と第二主面を有し、第一電極活物質が前記第一主面と接触し、第二電極活物質が前記第二主面と接触する、請求項1記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記第一および第二電極活物質が、それぞれ規定の重量の約±0.005グラム以内である、請求項7記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記第一電極が、前記集電体の相反する第一および第二主面と接触した酸化バナジウム銀とフッ化炭素を有し、酸化バナジウム銀/集電体/フッ化炭素の構成をとるカソード備えたカソード電極である、請求項7記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記第一電極が、2つの集電体を含むカソード電極であって、該集電体はそれぞれ第一主面と第二主面を有し独自の識別マークの付いた露出タブを備え、該カソード電極は酸化バナジウム銀/集電体/フッ化炭素/集電体/酸化バナジウム銀の構成を持つ、請求項7記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- 前記集電体が、前記タブによって連結された羽根状部材を含み、各羽根状部材は、電極活物質と接触した相反する第一主面と第二主面を有する、請求項7記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- プリズム電気化学電池、ジェリーロール電気化学電池、ボタン型電池、コイン電池、電気化学コンデンサ、電解質コンデンサ、ハイブリッドコンデンサからなる群から選択される、請求項1記載の電気エネルギー貯蔵装置。
- a)支持部と、独自の識別マークが付されたタブとを有する集電体(該集電体の支持部は、各自、酸化バナジウム銀およびフッ化炭素に接触した相反する第一主面と第二主面を有し、これに対し、該タブは露出したままである)と、
b)対極である第二電極と、
c)第一電極と第二電極の間に配置され、それらが互いに電気的な関連にあるときにそれらの間で直接接触が起こるのを妨げる、セパレータと、
d)第一電極および第二電極を格納するケーシングと、
e)第一電極の集電体に接続された第一端子、および第二電極に接続された反対極性の第二端子
とを有する電気化学電池によって電力を供給される体内埋め込み可能な医療装置。 - 前記独自の識別マークが、前記集電体の重量、および前記集電体支持部の相反する第一および第二主面に接触した酸化バナジウム銀およびフッ化炭素のグラム量と関連付けられたものである、請求項13記載の体内埋め込み可能な医療装置。
- 自動植え込み式除細動器、心臓ペースメーカー、神経刺激装置、薬ポンプ、骨成長刺激装置、および補聴器からなる群から選択される、請求項13記載の体内埋め込み可能な医療装置。
- a)電極活物質よって接触される予定の支持部と、タブとを有する集電体を準備し、
b)前記集電体タブ上に独自の識別マークを付し、
c)前記タブは露出したままで、前記集電体の支持部に電極活物質を接触させ、それによって第一電極を準備し、
d)第二の、対極を準備し、
e)第一電極が第一端子に接続し、第二電極が第二端子に接続した集電体を有するケーシングの内側に格納された第一電極と第二電極の間にセパレーターを配置し、
f)第一および第二電極をケーシング内に充填した電解液で活性化する、
工程を有する、電気化学電池の調製方法。 - 前記集電体タブ上の独自の識別マークを、IDマトリクスとして施す工程を含む、請求項16記載の方法。
- 前記独自の識別マークを前記集電体の支持部に接触した電極活物質のグラム量と関連させる工程を含む、請求項16記載の方法。
- 前記集電体の支持部を、相反する第一主面と第二主面を有し、該第一主面に第一電極活物質が接触し、該第二主面に第二電極活物質が接触するものとして準備する工程を含む、請求項16記載の方法。
- 前記集電体タブ上に付された独自の識別マークをスキャンし、前記集電体、第一電極活物質および第二電極活物質の関連重量を記録する工程を含む、請求項19記載の方法。
- ケース識別マークを付したケーシングを準備する工程を含む、請求項16記載の方法。
- 前記ケース識別マークをスキャンし、その中に格納された前記集電体、第一電極活物質および第二電極活物質の関連重量を記録する工程を含む、請求項21記載の方法。
- 前記第一および第二活物質を規定重量の±0.005グラム以内で、前記集電体を規定重量の±0.006グラム以内で準備する工程を含む、請求項16記載の方法。
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